• Nie Znaleziono Wyników

Multidisciplinary design approach and safety analysis of ADSR cooled by buoyancy driven flows

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Multidisciplinary design approach and safety analysis of ADSR cooled by buoyancy driven flows"

Copied!
142
0
0

Pełen tekst

(1)

Multidisciplinary Design Approach 

and Safety Analysis of ADSR Cooled 

(2)
(3)
(4)

      Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotoren:  Prof. dr.ir. A.H.M. Verkooijen  Prof. dr.ir. T.H.J.J. Van der Hagen    Samenstelling promotiecommissie:    Rector Magnificus       Voorzitter  Prof.dr.ir. A.H.M. Verkooijen     Technische Universiteit Delft, promotor  Prof.dr.ir. T.H.J.J. Van der Hagen  Technische Universiteit Delft, promotor  Prof.dr.ir. R.F. Mudde       Technische Universiteit Delft  Prof.dr.ir. I.M. Richardson     Technische Universiteit Delft  Prof.dr. J. Martinez‐Val       ETSII, Madrid, Spanje  Dr. H. Ait Abderrahim       Studiecentrum voor Kernenergie, Mol, Belgie  Dr.ir. D. Lathouwers       Technische Universiteit Delft    Copyright © 2007 by Carlos Alberto Ceballos Castillo and IOS Press   

(5)
(6)

   

(7)

Summary 

 

Nuclear  waste  is  composed  of  transuranic  elements  (plutonium  and  minor  actinides)  and  fission  products.  The  separation  of  plutonium  from  minor  actinides  in  the  nuclear  waste  offers  a  more  efficient  utilization  of  resources  because  plutonium  can  be  recycled  as  fuel  in  different  reactors.  Similarly,  the  transformation  of  the  minor  actinides  in  lighter  elements  with  transmutation  reactions is a method to reduce the storing time and the amount of waste to be  stored in the geological repository.    

 

Transmutation  can  be  achieved  in  all  types  of  reactors  ‐  thermal  systems,  fast  systems, critical and sub‐critical systems (Gudowski et al., 2001). Fast spectrum  systems  have  significant  advantages  because  they  offer  higher  transmutation  efficiency in comparison to thermal systems (OECD/NEA, 2002). However, the  addition  of  actinides  to  the  fuel  has  adverse  effects  on  safety  parameters:  the  fraction of delayed neutrons and the Doppler coefficient are reduced (Eriksson  et al., 2005). This parameter is very important to assure the dynamic control and  safe operation of a critical reactor and for this reason the actinide content in the  fuel of critical reactors has to be limited.  

 

Alternatively,  if  the  reactor  is  subcritical  and  an  external  neutron  source  is  supplied,  the  system  would  be  able  to  operate  with  a  steady  power  level  without  a  self‐sustained  chain  reaction  (Rubbia  et  al.,  1995).  In  this  way,  the  shutdown  of  the  external  source  gives  the  possibility  for  rapid  control  of  any  undesired  power  excursion  in  the  transmuter.  This  novel  reactor  concept  has  been introduced as the Accelerator Driven Subcritical Reactor (ADSR).  

 

(8)

different  viewpoints.  However,  there  are  many  technical  issues  to  be  solved  before an ADSR system is realized.   

 

The  development  of  the  ADSR  depends  on  the  successful  integration  of  different  systems,  for  which  a  safety  strategy  has  to  be  adapted.  This  dissertation  contributes  to  the  development  of  the  ADSR  technology  by  studying  two  important  safety  aspects:  the  time‐dependent  response  during  transient  conditions  and  its  influence  over  the  structural  integrity.  For  this  purpose, thermalhydraulics, neutronics and structural models of the reactor are  integrated. 

 

 The  results  have  shown  that  a  subcritical  reactor  is  remarkably    effective    to   overcome  transients  involving  criticality  risk. However, core damage and/or  melt  down  are  evident  if  the  beam  is  not  shutdown.  Negative  reactivity  feedbacks do not reduce the power significantly and since, large percentage of  heat is not efficiently removed, the structural integrity is exposed.  

  

Natural circulation is not helpful in view of the fact that the mass flow rate is  dependent  on  the  density  difference  between  the  hot  and  cold  legs.  During  transients,  it  can  occur  than  the  hot  leg  becomes  cooler  and  the  cold  leg  gets  hotter  (  e.g.  during  a  a  loss  of  heat  sink  transient),  in  this  case,  the  buoyancy  force changes direction working against the inertial force. If natural circulation  is enhanced with a gas‐lift pump, the power rate of the reactor can be increased.  Still,  the  oscillatory  nature  of  the  loop  system  is  pronounced  by  gas  density  changes  during  temperature  transients.  This,  subjects  the  mechanical  components to higher thermal stress cyclic rates increasing the fatigue damage.           

Another  technical  disadvantage  of  the  buoyancy  driven  liquid  metal  reactors  becomes  the  large  temperature  difference  across  the  core,  which  increase  the  severity of thermal shocks. This is especially critical when looking at the beam  trip frequency of current accelerators. A non‐conservative estimate shows that  the reliability of the accelerator should be increased by a factor of 5 in order to  avoid cladding failure during the first year of operation.    

  

(9)

Samenvatting  

 

Kernafval  bestaat  uit  transuranen  (plutonium  en  “minor  actinides”,  hierna  aangeduid  als  MA)  en  splijtingsproducten.  Het  scheiden  van  plutonium  van  MA  in  het  kernafval  leidt  tot  een  efficiënter  gebruik  van  grondstoffen  omdat  plutonium gerecycleerd kan worden in diverse/verschillende (typen) reactoren.  Tevens  is  de  transmutatie  van  MA  tot  lichtere  elementen  een  methode  om  de  benodigde opslagtijd en de hoeveelheid afval binnen een geologische opslag te  verkleinen. 

 

Transmutatie  kan  worden  bereikt  in  diverse  reactortypen  –  thermische  systemen,  snelle  systemen,  kritieke  en  subkritieke  systemen  (Gudowski  et  al.,  2001). Snel‐spectrum systemen hebben grote voordelen omdat deze een groter  transmutatievermogen  hebben  in  vergelijking  met  thermische  systemen  (OECD/NEA, 2002). Echter, de toevoeging van actiniden aan de splijtstof heeft  een negatief effect op veiligheidsgerelateerde parameters: de fractie vertraagde  neutronen  en  de  Doppler  coëfficiënt  zijn  kleiner  (Eriksson  et  al.,  2005).  Deze  parameters  zijn  bijzonder  belangrijk  om  de  dynamische  controle  en  veilig  bedrijf  van  een  kritieke  reactor  en  vanwege  dit  feit  dient  de  actinide  concentratie  in  de  splijtstof  beperkt  te  blijven.  In  geval  van  een  subkritiek  systeem  waar  een  externe  neutronenbron  wordt  gebruikt  kan  het  systeem  een  constant  vermogen  leveren  zonder  een  zichzelf  in  stand  houdende  kettingreactie (Rubbia et al., 1995). Afschakeling van de externe neutronenbron  kan  dan  op  korte  termijn  eventueel  optredende  vermogensoscillaties  controleren.  Dit  reactor  concept  is  eerder  geïntroduceerd  onder  de  naam  “Accelerator Driven Subcritical Reactor” (ADSR). 

 

(10)

In dit proefschrift wordt een bijdrage geleverd aan de ontwikkeling van ADSR  technologie  door  twee  veiligheidsaspecten  te  bestuderen:  het  tijdafhankelijk  gedrag  onder  diverse  condities  en  de  invloed  hiervan  op  de  structurele  integriteit.  Hiervoor  zijn  modellen  voor  neutronica,  thermohydraulica  en  mechanische analyse geïntegreerd. 

 

De  resultaten  tonen  aan  dat  een  subkritieke  reactor  opmerkelijk  effectief  is  in  het ondervangen van ongevalscenario’s met een criticiteitsrisco. Schade aan de  reactorkern  of  het  smelten  ervan  kan  echter  voorkomen  als  de  bron  niet  tijdig  afgeschakeld wordt. Negatieve terugkoppeling van de reactiviteit reduceert het  vermogen  niet  significant  en  omdat  een  groot  gedeelte  van  de  warmte  niet  afgevoerd wordt de mechanische stabiliteit negatief beïnvloed. 

 

Natuurlijke  circulatie  is  geen  uiteindelijke  oplossing  vanwege  het  feit  dat  de  massastroom  afhankelijk  is  van  de  hete  en  koude  secties.  Gedurende  transiënten kan het voorkomen dat de hete sectie kouder wordt dan de koude  sectie (bv gedurende een ongeval met verlies van warmteafvoer) waardoor de  drijvende  kracht  van  richting  veranderd  en  de  massastroom  doet  afnemen.  Wanneer natuurlijke circulatie wordt verhoogd met een “gas‐lift” pomp  is het  mogelijk  het  reactorvermogen  te  verhogen.  Het  oscillerende  gedrag  van  de  koellus  is  echter  sterk  aanwezig  gedurende  temperatuur  transiënten  vanwege 

dichtheidveranderingen  van  het  ingebrachte  gas.  Deze 

temperatuursveranderingen  stellen  de  mechanische  componenten  bloot  aan  thermische stress waardoor de kans schade door moeheid toeneemt. 

 

Een  ander  technisch  nadeel  van  een  natuurlijke  circulatie  vloeibaar  metaal  gekoelde  reactor  is  het  grote  temperatuurverschil  over  de  kern  waardoor  de  hevigheid van thermische schokken toeneemt. Dit is met name belangrijk i.v.m.  de frequentie van versnellerafschakelingen. Een voorzichtige schatting leert dat  de  betrouwbaarheid  van  versnellers  met  een  factor  5  dient  toe  te  nemen  om  falen  van  de  cladding  te  voorkomen  gedurende  het  eerste  jaar  van  reactorbedrijf. 

 

(11)
(12)
(13)
(14)

 

1.1  Sustainable Nuclear Energy 

 

Nuclear energy is an air pollution free technology with the potential to satisfy  the  world’s  energy  demands  for  many  centuries.  However,  some  concerns  about  the  use  of  nuclear  energy  have  to  be  further  developed  in  order  to  recognize nuclear energy as a sustainable option. These concerns are the use of  nuclear energy for weapons, the risk of accidents with radioactivity release and  the waste management. 

 

Nuclear  waste  is  composed  of  trans‐uranic  (TRU)  elements  and  fission  products. The TRU are the result of neutron capture in the fuel and subsequent  decay.  They  can  be  separated  in  Pu  and  minor  actinides  (MA).  The  fission  products are fragments produced during the fission process. Most of the fission  products  are  short‐lived  (less  than  300  years)  in  comparison  with  the  TRU  elements, which can take thousands of years to reach the reference radiotoxicity  level (ENEA, 2001). 

 

Two  methods  are  considered  for  managing  radioactive  waste:  i)  geological  disposal, which consists of isolating the waste from the biosphere by placing it  in a safe geological formation and wait for it to decay. The geological formation  and  a  good  container  design  have  to  assure  the  isolation  of  waste  for  a  long  period  of  time.  These  issues  raise  uncertainty  about  the  future  circumstances  and  the  economical  sustainability  of  this  solution.  ii)  the  separation  of  plutonium  from  MA  and  transformation  of  the  MA  in  lighter  elements  with  transmutation  reactions  before storing.  The  lighter  elements  have  shorter  half‐ lives and in this way, they would need to stay for a considerably shorter time in  the repository. At the same time, the generation of electricity from MA is a more  efficient utilization of resources.  

 

All  types  of  reactors  can  be  used  to  transmute  the  MA  ‐  thermal  systems, fast  systems, critical and sub‐critical systems (Gudowski et al., 2001). Fast spectrum  systems  have  significant  advantages  because  they  offer  higher  transmutation  efficiency in comparison to thermal systems (OECD/NEA, 2002). However, the  addition  of  actinides  to  the  fuel  has  adverse  effects  on  safety  parameters:  the  fraction of delayed neutrons and the Doppler coefficient are reduced (Eriksson 

et al., 2005). These parameters are very important to assure the dynamic control 

(15)

 

Alternatively,  if  the  reactor  is  subcritical  and  an  external  neutron  source  is  supplied,  the  system  would  be  able  to  operate  with  a  steady  power  level  without  a  self‐sustained  chain  reaction  (Rubbia  et  al.,  1995).  In  this  way,  the  shutdown  of  the  external  source  gives  the  possibility  for  rapid  control  of  any  undesired power excursion in the transmuter. Last, the possibility of Plutonium  recovery within a closed and controlled fuel cycle minimizes the risk of using it  for weapons proliferation.  

1.2  ADSR Role in the Nuclear Fuel Cycle 

 

The  transmutation  efficiency  is  very  important  in  any  fuel  cycle  strategy.  The  efficiency  is  connected  to  the  energy  spectrum,  burn‐up  time  and  cost  to  transmute the waste. Fast reactors and ADSR will play an important role in this  regard. The selected fuel cycle strategy may be suited to different performance  requirements  like  the  flexibility,  the  technological  requirements,  the  proliferation,  the  economics,  etc.  A  study  carried  out  by  OECD/NEA  (2002)  compared  two  waste  management  approaches:  one  considers  plutonium  as  a  by‐product  from  light  water  reactors  (LWR)  and  separates  it  from  the  minor  actinides  stream.  The  other  approach  re‐processes  them  together.  The  second  option  is  attractive  because  it  enhances  proliferation  resistance  but  the  first  option  offers  a  more  economic  competitiveness.  These  two  approaches  can  be  accommodated  in  different  fuel  cycle  strategies  according  to  technological  and/or  economical  challenges.  The  schemes  investigated  by  OECD/NEA  are  presented  in  figure  1.1,  the  figure  shows  5  different  transmutation  strategies  relevant to the future requirements.  

 

(16)

 

(17)

 

Important  conclusions  of  NEA’s  investigation  are  that  all  transmutation  strategies  with  multiple  recycling  of  the  fuel  can  achieve  similar  radiotoxicity  reduction  in  the  long‐term  waste  radiotoxicity.  These  strategies  can  achieve  a  hundred reduction factor in the long‐term waste radiotoxicity and even higher  for  actinides  inventory  reduction.  Partially  closed  cycles  are  a  near‐term  transmutation  option,  but  they  do  present  a  factor  of  two  less  reduction  than  the fully closed strategies. Fully closed cycles might be realised with a 10‐20%  increase of electricity cost. For partially closed cycles the increase is about 7% of  the electricity cost with regards to the once through cycle. 

 

In  a  similar  study,  Cometto  et  al.,  (2004)  have  presented  comparable  results.  They  suggest  that  due  to  its  economical  and  technological  requirements,  ADSR’s are best suited to work as minor actinide burners in the double strata  cycle, whereas critical FR’s are better for Pu and MA together in a TRU burning  strategy. Another similar study by Hoffman and Stacey, (2002) declares that an  ADSR would be capable of a net TRU destruction rate 2 to 3 times larger than a  critical FR (similar to what NEA has reported). This advantage is only visible in  the  use  of  non‐fertile  TRU  in  the  ADSR.  On  the  other  hand,  if  energy  is  produced, the ADSR would account for 25% of the total generated power while  the FR would produce a 45% of the total power.  

 

(18)

 

The  spallated  neutrons  will  start  a  chain  reaction  in  the  nuclear  core  and  the  rate  will  be  dependent  on  the  proton  flux  from  the  accelerator.  The  spallation  target would be located in the middle of the reactor core. In this way, effective  control can be executed through the accelerator’s proton current.  

 

A schematic drawing of an ADSR system is shown in figure 1.2, identifying its  major  components.    A  high  power  particle  accelerator  produces  energetic  protons  that  hit  a  heavy  metal  target  to  produce  neutrons.  The  neutrons  feed  the nuclear fission process of a subcritical reactor where nuclear waste has been  placed.  A  conventional  power  cycle  is  added  to  remove  heat  and  generate  electricity.   

  Figure 1.2 Scheme of the ADSR (source: OECD/NEA,2002) 

 

Different ideas have been proposed for ADSR concepts based on fundamental  physical  properties  such  as  neutron  energy  spectrum  ‐  fast  and  thermal  (Gudowski  et  al.,  2001),  fuel  type  ‐  solid,  liquid  (Takano  and  Nishara,  2002;  Nifenecker et al., 2003) and coolant – lead‐bismuth eutectic (LBE), lead, sodium,  and  gas  (Kerkdraon  et  al.,  2003;  Nifenecker  et  al.,  2001).  Most  international  programs  seem  to  be  evolving  toward  fast‐spectrum,  liquid  metal‐cooled  sub‐ critical  assemblies  driven  by  large  linear  accelerators  (Sasa  et  al.,  2004;  ENEA,  2001).  For  target  materials,  heavy  metal  such  as  lead‐bismuth  (Pb‐Bi)  or  tungsten are proposed (Seltborg et al., 2003; Vickers, 2003). 

(19)

 

Although  accelerator  development  has  advanced  and  linear  accelerators  are  capable to accelerate protons to several GeV, the frequently repeated beam trips  can  significantly  damage  the  reactor  structures,  the  spallation  target  and  the  fuel, decreasing the ADSR plant availability. The other reliable option for high‐ power  beams  is  to  use  cyclotrons,  however,  they  are  limited  to  maximum  energies  of  about  1  GeV  and  electric  currents  of  a  few  mA.  This  may  be  sufficient  to  drive  a  small  ADSR  but  insufficient  for  large  applications  (Ponomarev,  2002).  The  accelerator  also  has  to  be  capable  to  produce  a  stable  and reliable low and high intensity proton beam, which is needed for the start  process and the steady operation. The reliability requirements are related to the  number  of  allowable  beam  trips  and  its  effect  on  plant  parameters  deviation  (thermal  power,  primary  flow,  pressure,  temperature).  The  spallation  target  design  for  an  ADSR  should  optimize  the  neutronic  efficiency,  the  material  properties  and  thermal‐hydraulics,  since  it  is  simultaneously  subject  to  severe  thermal‐mechanical  loads  and  damage  due  to  high‐energy  heavy  particles  ‐  protons, spallation and fission neutrons (Tak et al., 2005).  

 

The  selected  subcriticality  level  must  be  properly  balanced  considering  economical  reasons  like  the  desire  to  construct  a  system  with  a  low  beam  power,  and  safety  reasons  like  that  a  small  subcriticality  level  implies  an  increased  risk  of  approaching  criticality  under  transient  conditions,  but  also  larger effects of the negative feedbacks. An adequate level of subcriticality can  be achieved by conservatively estimating the positive reactivity insertions. They  are associated with incidents and accident conditions such as fuel, coolant and  structural  materials  temperatures  variation,  coolant  voiding  and  properly  choosing  the  allowable  range  of  normal  operating  conditions  (Perdu  et  al.,  2003).  An  additional  requirement  is  the  compensation  of  fissile  material  burn‐ up indicating that an operational range to maintain the steady required power  level  is  needed,  as  well  as  to  execute  a  careful  reactivity  monitoring  to  assure  safe operation (Baeten and Abderrahim, 2004; Bianchi et al., 2005).  

 

(20)

 

points  are  disadvantageous  during  shutdown  and  refuelling  since  primary  coolant freezing must be avoided.  

 

The core can be cooled either by forced or natural circulation. The use of natural  circulation  is  preferred  since  it  eliminates  the  occurrence  of  loss  of  flow  accidents  and  the  cost  involved  with  the  operation  and  maintenance  of  redundant  systems.  Natural  circulation  was  an  important  inherent  safety  feature proposed in the first concept of ADSR (Rubbia et al., 1995) and it is being  considered  to  implement  it  in  the  first  experimental  XADS  facility  (Ansaldo,  2001; Cinotti, 2004). The ADSR can be connected to a conventional power cycle  with  an  intermediate  cooling  circuit  or  directly  to  the  steam  generator.  The  design  of  the  intermediate  heat  exchanger  or  steam  generator  and  placement  inside  the  reactor  vessel  is  constraint  by  the  vessel  size,  which  is  equally  constraint  by  the  capital  cost  and  the  compactness  desired  features  of  such  a  plant (Salvatores, 2005).  

 

Regarding fuels: oxides and nitrides are considered as the most promising fuel  materials  (ENEA,  2001).  Oxide  phases  have  the  advantage  of  high  chemical  stability and relative simple handling and fabrication, which is very important  for  actinides  handling.  However,  the  relatively  low  thermal  conductivity  of  oxide  materials  leads  to  high  operating  temperatures.  Composites  (ceramic‐ metal or ceramic‐ceramic) are preferred to provide the high heat transfer rates  required  to  avoid  large  peaking  temperature  in  the  fuel:  composite  with  steel  (CERMET)  or  MgO  (CERCER)  are  the  first  referenced  options  for  advanced  fuels (Eriksson et al., 2005; Chen et al., 2004; Maschek et al., 2003). Using liquid  fuels would avoid burn‐up reactivity changes by adding fissile material on‐line  and removing poisons. However, compared to solid fuels, liquid fuels present  much  larger  unknowns  associated  with  material  compatibility  and  operation.  R&D  on  these  key  issues  and  the  system  integration  are  the  most  important  steps  towards  the  ADSR  demonstration.  These  developments  have  to  be  realized  with  economic  competitive  advantages  and  maximizing  safety  characteristics like inherent and passive safety systems.  

1.4  Motivation  

 

(21)

 

basic requirements for this philosophy have to cope with the general guidelines  of  nuclear  reactor  safety  –  the  protection  of  people  and  the  environment  by  establishing  and  maintaining  effective  defenses  against  radiological  hazards  (IAEA, 1993).  

 

The best procedure for optimizing the design is a conscientious safety analysis  of the system. The most traditional technique for verifying and demonstrating  the  safety  of  any  nuclear  facility  is  the  defence  in  depth  (IAEA,  1996).  It  is  implemented by listing the initiating events (internal and external hazards) and  classify  them  by  categories  regarding  their  expected  frequency  of  occurrence.  The events are analyzed with stringent rules. The prevention has to be pursued  by passive control, active actions and inspection activities. As a second step, the  mitigation  of  the  accident  is  required  despite  the  high  prevention  levels  are  achieved by the first analysis. The process is complemented by a line of defence  method which defines the safety requirements for the safety systems. They can  be  divided  on  three  types:  the  preventive  measures  to  avoid  initiating  events,  the  active  and  passive  measures  and  the  inherent  behavior  or  resistance  by  natural behavior.  

 

Recent strategies to reduce or exclude potential accidents and improve reactor  economy  involve  the  use  of  buoyancy  driven  flows  in  the  reactor  primary  cooling  circuit.  In  principle,  the  implementation  of  natural  circulation  in  a  liquid metal cooled nuclear reactor could suppress the dependence on external  pumps  and  assure  a  safe  and  reliable  operation.  Even  in  a  forced  circulation  system,  the  capability  of  the  coolant  to  develop  natural  circulation  is  of  great  interest  for  decay  heat  removal  of  the  core  after  reactor  shutdown.  The  advanced  LWR  adopts  natural  circulation  as  its  cooling  principle  and  are  projected  to  cover  the  small  and  medium  power  ranges  from  the  LWR  park.  Liquid metal fast reactors (LMFR) and ADSR cooled by natural circulation seem  to have a more narrow range of operation (Davis et al., 2002; Chang et al., 2000),  as  the  coolant  does  not  undergo  phase  change  in  the  core.  Therefore,  the  temperature difference across the core of a liquid metal reactor exceeds by far  the  temperature  difference  of  the  LWR  and  its  technical  demands  to  the  structural components become more stringent.   

 

(22)

 

neutron  kinetics.  The  results  were  optimistic  and  the  idea  is  being  further  developed  as  the  experimental  XADS  facility  from  the  European  Union  (Ansaldo, 2001). Analysis of transients has also been carried out for the XADS  (Coddington et al., 2004). Simplified models for the two‐phase flow in the riser  and  detailed modeling  of the  reactor  vessel  auxiliary  cooling  system  (RVACS)  have  shown  that  the  delay  before  beam  shut‐off  after  initiation  of  loss  of  heat  sink accident is a critical parameter (Carlsson and Wider, 2002). The successful  utilization of natural circulation in a large scale ADSR will imply the reduction  of risks during operation. Hence, it is of great interest to study the ADSR design  and  safe  operation  focusing  on  the  possible  implementation  of  a  natural  circulation system for an industrial scale ADSR. 

 

Regarding the dynamics of a sub‐critical system, the first concern is the control  of  power  and  monitoring  of  reactivity.  The  system  needs  to  shut  down  the  beam  if  an  unwanted  variation  of  core  parameters  is  detected  (neutron  flux,  primary  flow,  temperature).  The  reactor  has  to  remain  subcritical  at  any  conceivable state, an adequate margin to criticality is needed for any event like  the positive reactivity insertions associated with changing conditions from fuel,  coolant  and  structural  materials  temperatures  variations.  In  the  event  of  unprotected  transients  (beam  remains  on)  a  reliable  safety  related  beam  shutdown  system  is  desirable  (Eriksson  and  Cahalan,  2002),  as  well  as  a  long  grace time period for the system to act. Transient analysis of the ADSR would  allow  us  to  understand  and  predict  the  reactor  response  under  different  scenarios threatening the ADSR safe operation. 

 

(23)

 

1.5  Objectives and Scope 

 

The goal is to contribute to the development of ADSR technology by studying  two main safety aspects: the transient response and its impact on the structural  integrity.  For  this  purpose,  the  neutronic,  thermalhydraulic  and  mechanical  systems have to be integrated.  

 

The  thermalhydraulic  system  plays  an  important  role  in  the  performance  and  the safety. Hence, it is a primary objective to develop a better understanding of  the  natural  circulation  thermalhydraulic  systems  for  a  liquid  metal  cooled  ADSR.  The  feasibility  and  reliability  of  a  high  power  liquid  metal  cooled  buoyancy  driven  reactor  has  to  be  investigated.  Likewise,  the  effects  of  the  thermal coupling with neutron kinetics verified. Additionally, the interaction of  the beam with the thermalhydraulic and neutronic systems, as well as with the  mechanical  components  has  to  be  reviewed.  This  work  will  develop  a  better  understanding of the ADSR design parameters, characteristic dynamic response  and provide information for future optimization and design guidelines. 

 

The  methodology  employed  set  the  following  steps:  first,  to  build  a  thermalhydraulic model of the ADSR and to couple it with a neutronic dynamic  model.  Then,  to  study  the  thermalhydraulic  behavior  during  steady  state  and  transient  conditions,  evaluating  the  modeling  results  within  the  framework  of  safety.  Subsequently,  to  integrate  the  mechanical  systems  in  the  model  and  assess  their  structural  integrity.  As  a  result,  to  identify  routes  for  the  development of the ADSR technologies and safety guidelines. 

1.6  Outline  

 

This  thesis  presents  the  work‐study  on  safety  analysis  of  ADSR  cooled  by  buoyancy driven flows. The thesis is outlined as follows:  

 

(24)

 

In  chapter  3,  a  detailed  description  of  the  systems  interaction  is  described.  Physical  models  for  neutronic,  fuel  pin  heat  transfer  and  thermalhydraulic  models  are  presented.  The  modeling  approach  and  the  model  validation  are  discussed  as  well.  Special  interest  is  shown  in  the  thermalhydraulic  modeling  approaches in which a simplified and a detailed geometrical description of the  core have provided different levels of problem understanding and information.    

Chapter  4  explores  the  feasibility  of  cooling  a  liquid  metal  ADSR  using  buoyancy  driven  flows.  The  first  part  explains  the  nature  of  the  natural  circulation single‐phase reactor and its scaling principles. Then, it discusses the  implementation  of  the  buoyancy  enhancement  with  gas  injection  in  order  to  increase the core power capacity. The study takes as a baseline the design from  MIT  and  INL  (Davis  et  al.,  2002)  for  a  single‐phase  natural  circulation  lead‐ bismuth  actinide  burner.  At  the  end  of  the  chapter,  some  observations  are  introduced  regarding  the  hydrodynamic  effects  on  flow  and  cooling  performance.  

 

Chapter 5 presents the transient analysis of the scenarios established in chapter  2.  The  event  consequences  are  determined  and  valued  with  the  safety  criteria  that  were  discussed  in  chapter  2  as  well.  The  results  obtained  with  a  one‐ dimensional  thermalhydraulic  model  compare  two  concepts:  the  single‐phase  and  the  two‐phase  buoyancy  driven  flow  reactors.  The  results  have  characterized  the  dynamic  response  from  every  system.  Then,  a  detailed  two‐ dimensional model of the core demonstrates the safety advantages of the two‐ phase concept and provides information for the structural integrity assessment  of the fuel pin cladding.     Chapter 6 evaluates the impact of beam trips frequency on the ADSR lifetime.  The first section describes a thermal‐structural stress model suggested to study  creep‐fatigue interaction in the fuel pin cladding. Then, thermal‐stress transient  analysis  is  carried  out  together  with  creep  analysis  and  the  results  are  discussed. The structural integrity assessment is derived with engineering rules  for reactor design recommended by the ASME Boiler and Pressure Vessel Code  – Case N47. 

 

(25)

armaments,  no  one  in  this  world  would  go  to  bed  hungry”      James Morris, head of the WFP                  

2  Safety Considerations for Design 

and Control 

   

(26)

 

2.1  Introduction 

 

The operation principle of the ADSR has been described in detail in section 1.3.  By  conceptual  definition,  the  ADSR  is  an  inherent  safe  reactor,  because  the  subcritical state provides a sufficient margin to cope with the reduction on the  delayed neutron fraction and the Doppler effect. In case of a positive reactivity  insertion, the subcritical state assures that the reactor does not become prompt  supercritical and if the controller foresees any risk, it can order the proton beam  to stop, bringing the reactor to decay power conditions.    

The  safety  characteristics  of  the  ADSR  should  also  consider  different  aspects  involved  in  the  system  integration.  For  example,  the  heat  removal  by  the  thermalhydraulic  system  has  an  effect  on  neutronic  performance  during  transient  conditions.  In  similar  way,  the  rate  of  heat  removal  by  the  thermalhydraulic  system  has  an  effect  on  structural  components  lifetime.  In  addition,  the  design  has  to  exclude  any  potential  hazards  from  reactivity  excursions  and  tolerate  much  more  transients  than  the  actual  nuclear  plants.  This is due to the larger amount of beam interruptions.  

 

For study purposes, some relevant parameters were identified, constrained and  grouped  to  form  the  design  limits  and  safety  limits,  which  describe  the  safety  envelope for the ADSR. These parameters have been grouped according to their  nature in: neutronic, thermalhydraulic and mechanical systems constraints.    

(27)

 

normal  operating  conditions  like  start  up,  shutdown,  loading  and  abnormal  reactivity evolutions due to burn up. For these purposes, detection and control  systems and methods are investigated.  SAFETY ENVELOPE Neutron Kinetics Constraints Thermalhydraulic Constraints Mechanical Constraints Controllability Integrity   Figure 2.1 Definition of physical constraints and safety envelope for the ADSR operation    The integrity relates to the capacity to withstand any circumstances risking the  lifetime and availability of the reactor. The structural components should resist  to  mechanical  and  thermal  loads  and  their  time‐dependent  effect  during  operation and transient events. The loading type could provoke unfavorable or  excessive  requirements  delivering  partial  or  total  failure  of  the  component.  Moreover,  a  loss  of  controllability  sometimes  has  as  a  consequence  on  loss  of  integrity  and  viceversa.  A  change  in  some  thermalhydraulic  parameters  could  indirectly  lead  to  controllability  or  integrity  losses,  by  interaction  with  the  neutron kinetics and mechanical systems.  

(28)

 

      

The  safety  strategy  for  the  ADSR  should  provide  different  mechanisms  to  influence the constrained parameters (top) and keep them below certain limits.  These safety limits define the safety envelope for the safe operation. When the  safety  limits  are  exceeded,  the  safety  envelope  is  abandoned  and  the  controllability and integrity are exposed (bottom). 

 

In the following sections, we discuss the ADSR safety issues using the systems  classification  from  figure  2.1.  From  these,  one  should  be  able  to  identify  the  parameters that constraint the reactor safe operation and to differentiate which  are  design  constraints  and  which,  safety  constraints.  Afterwards,  one  can  introduce  margins  or  limits  to  these  parameters  and  set  a  number  of  hypothetical scenarios for the safety analysis.   

2.2  Neutronic Issues 

Neutron Kinetics 

 

The primary goal on the design of the ADSR is to maximize the transmutation  rate. For this reason, fuel free of 238U or 232Th should be used. As a consequence,  the delayed neutron fraction is considerably reduced and the Doppler effect is  small.  The  impact  on  safety  parameters  is  strong  and  the  requirement  of  a  subcritical state, to assure inherent safety is desired. Maschek et al., (2003) have  calculated  the  kinetic  parameters  of  a  fuel  mixture  consisting  of  25%  Pu  and  75% MA, for a 1200 MWth core power at a subcritical level of keff = 0.98. Table 2.1  shows  the  deterioration  of  the  kinetic  parameters  of  the  subcritical  reactor  in  comparison with the Superphenix fast reactor.   

 

Table 2.1 Comparison of fuel kinetics parameters between an ADSR and the Superphenix FR 

Kinetic Parameters  ADSR  Superphenix

Doppler constant      [pcm/K]1 ‐100  ‐860 

βeff      [pcm]  150  400  neutron generation time   [s]  2x10‐7 4x10‐7  

The effect of these parameters on the reactor kinetics, can be studied through an  analytical  solution  of  the  point  kinetics  equations  for  one  delayed  neutron  group.  In  steady  state  conditions,  the  neutron  density  is  proportional  to  the 

(29)

 

source  intensity  and  the  time  constant  is  the  prompt  neutron  generation  time.  The steady state neutron density is  0 0 0

ρ

= −

q l

n

       (2.1)   

where, n0  is  the  neutron density,  ρ0  the  initial  reactivity,  l  the  time  constant of  the  prompt  neutrons  and  q0  the  external  neutron  source  per  unit  time.    If  one  takes the ratio of two different steady states, the result would be proportional to  the source change, and the initial reactivity as     0 1 1 0 0 1

=

n

q

n

q

ρ

ρ

        (2.2)   

The  new  reactivity  ρ1  includes  all  possible  reactivity  feedbacks.  This  result  indicates  that  any  change  (increase  or  decrease)  in  the  source  intensity,  or  a  reactivity insertion leads to a power change. If for a moment, one neglects the  possible  reactivity  feedbacks  (ρ1 =  ρ0),  the  result  would  indicate  that  the  final  power  level  during  a  transient  is  influenced  only  by  the  change  of  the  source  strength (Schikorr, 2001). On the other hand, if a positive or negative reactivity  is inserted, the state of subcriticality will have an influence on the final power  level.  

 

(30)

 

Reactivity Feedbacks 

 

An  ADSR  does  not  respond  to  reactivity  feedbacks  as  a  critical  reactor.  The  presence  of  the  neutron  source  has  an  effect  of  reducing  the  sensitivity  to  reactivity changes, as it was explained through equation 2.2. On the other hand,  the  strength  of  the  feedback  effect  depends  on  the  specific  fuel  design  and  in  particular,  the  choice  of  the  subcriticality  level.  When  the  reactor  is  more  subcritical, more importance is taken by the source and less effect is produced  by the reactivity feedbacks. Therefore, to take advantage of the subcritical level,  the  subcriticality  must  be  carefully  balanced  with  the  possible  positive  reactivity  insertions  and  negative  feedbacks.  It  has  been  argued  that  a  rearrangement  of  fuel  may  lead  to  critical  configurations  of  the  core  (Eriksson  and  Cahalan,  2002).  It  is  therefore  of  primary  concern  to  increase  the  Doppler  effect  in  fertile‐free  fuel.  For  this  purpose,  Eriksson  et  al.,  (2005)  have  studied  inherent safety aspects of different fuels and concluded that, the higher melting  point of Cermet fuel in combination with its larger critical mass hold the most  favourable characteristic for the recriticality issue.  

 

(31)

 

The  pumping  system  has  also  to  be  studied  against  the  problem  of  nuclear  stability. If a large bubble passes through the core, a safety margin needs to be  provided combining the coupled thermal‐hydraulic and reactivity disturbance.  The reactivity effects of the bubble will depend on the void worth throughout  the  core.  If  the  coolant  is  lead  alloy  and  for  an  equal  gas  mass,  the  bubble  is  going to be volumetrically smaller by as much as a factor of ten than in the case  of  sodium  and  therefore  its  reactivity  effects  are  much  smaller.  For  same  volumetric bubble size, the consequences may be somewhat less because of the  larger flow area used in naturally circulating lead and therefore less resistant to  the bubble passage and a shorter transit time. In spite of these facts, to achieve a  negative void worth in a liquid metal reactor requires the core design to either  be  very  flat  (core  diameter  much  larger  than  the  fuel  height)  or  very  tall  (fuel  height  much  larger  than  core  diameter).  Either  configuration  results  in  a  high  level of neutron leakage and a negative reactivity effect with the assumption of  voiding.  These  approaches  move  the  ADSR  design  away  from  the  optimum  economical  configuration  and  accelerator  power  requirements.  Detailed  analysis of postulated events are necessary to support the risk assessment and  similarly  assess  the  probability  of  occurrence.  It  is  desirable  to  avoid  designs  that  would  achieve  prompt  criticality  from  a  postulated  large  bubble  passing  through the core. 

 

Axial  thermal  expansion  of  fuel  pins and  radial  thermal expansion  of  the  core  subassemblies  lead  to  negative  feedbacks.    It  is  still  a  question  whether  the  negative  feedbacks  are  sufficient  to  control  a  reactor  excursion,  if  the  proton  beam  remains  on.  Other  types  of  safety  measures  are  necessary  to  assure  the  control  of  neutron  source  transients.  The  reactor  safety  strategy  for  the  ADSR  needs to be redefined with respect to the conventional fast and thermal reactors.  

2.3  Thermalhydraulic Issues 

Coolant Type 

 

(32)

 

plans,  the  choice  can  be  extended  by  the  research  and  development  tasks  of  various alternatives. 

 

Table 2.2 Liquid metal coolant characteristics 

Coolant  Advantages  Shortcomings 

Sodium  Suitable neutronics  Activity with O2 and H2O 

   Suitable thermalhydraulics  Gamma activity 

   Not corrosive  Medium melting point 

    Low radiotoxicity   

Lead‐Bismuth  Suitable neutronics  Volatile alpha activity of Po 

   Suitable thermalhydraulics  Highly corrosive 

   No activity with O2 and H2O  Medium melting point 

   No gamma activity  Long radiotoxicity 

Lead  Suitable neutronics  Low alpha activity of Po 

   Suitable thermalhydraulics  High corrosive 

   No activity with O2 and H2O  High melting point 

   No gamma activity  Long radiotoxicity 

   

Lead‐bismuth has been selected as the coolant for the ADSR primarily because  of  two  criteria:  performance  and  safety.  LBE  offers  low  moderation,  low  absorption  cross‐section,  excellent  heat  transfer  coefficients,  high  boiling  point  and  low  system  pressure.  The  moderation  and  absorption  cross  section  are  important parameters determining the neutronic efficiency of the transmutation  process. The low operating pressure reduces the structural requirements to the  reactor  vessel  and  the  high  boiling  point  minimizes  the  possibility  of  positive  void  reactivity  insertions.  The  freezing  point  is  an  important  issue  for  the  coolant‐structural  interaction  and  potential  failure  by  flow  blockages.  For  this  reason, lead‐bismuth with a lower melting point (400 K) has been preferred as  its counterpart “pure lead”, which is cheaper but has higher melting point (600  K). 

 

(33)

 

discarded for the ADSR because of its explosive reaction in contact with air or  water.  Regarding  natural  circulation  capabilities,  Ceballos  et  al.,  (2004)  have  presented  a  study  on  liquid  metal  performance,  demonstrating  that  the  flow  rate in natural convection systems is a function of the non‐dimensional Stanton  number  and  the  Reynolds  number.  Some  of  these  conclusions  will  be  later  exposed in chapter 4, when we analyze the steady‐state reactor operation using  dimensional analysis to clarify the nature of buoyancy flows.  

Coolant Flow 

 

To avoid loss of flow from a breakdown of the pumps, buoyancy driven cooling  systems  have  been  proposed  (Rubbia  et  al.,  1995;  Ansaldo,  2001).  In  these  systems,  the  pumping  power  is  determined  by  the  pool  configuration  such  as  pool components and vessel height. From a safety perspective, the heat removal  with natural circulation could be enhanced with gas lift pumps. This design has  good  safety  characteristics  and  offers  a  bigger  safety  margin  during  transients   (Cheng et al., 2004).  

 

The  flow  is  subjected  to  a  balancing  system  of  buoyant  forces  and  pressure  drops.  The  pressure  drops  are  proportional  to  the  geometrical  design  of  the  flow channels and the flow velocity distribution. The core pressure drop is the  largest portion of the total system pressure drop and therefore, the core height  and  diameter  is  always  optimized  for  fuel  economy  and  required  pumping  power. In the core, the flow has local characteristics since the power varies with  respect to position. This leads to a local maximum fuel pin temperature profile  that  restrains  the  maximum  core  power.  Another  flow  phenomenon  is  gas  entrainment,  since  it  can  lead  to  reactivity  insertions.  The  sources  of  entrainment  could  be  fission  gas  release  from  a  fuel  pin  rupture,  a  steam  generator pipe break‐up with carry‐under or the gas entrainment from the gas  covering the pool. The steam generator tube rupture event was identified as a  potential  source  for  extensive  voiding  and  according  to  Eriksson  et  al.,  (2005),  the  nitride and  Cermet  fuels  hold  a  lower  temperature  peak  during a  positive  void  reactivity  excursion.  The  gas  cover  entrainment  has  been  studied  and  predicted  for  the  liquid  metal  sodium  reactor,  surface  waves  and  vortex  formation  by  high  velocities  could  result  in  encapsulation  of  bubbles  carried  deep below the coolant surface (Tang et al., 1978). 

  

(34)

 

great part the efficiency of the power cycle. The heat exchanger must permit a  safe,  stable  and  reliable  operation  under  all  conditions.  For  the  case  of  a  buoyancy  cooled  reactor,  the  design  should  minimize  the  pressure  drop  and  provide  good  heat  transfer  performance.  The  decisions  during  design  stage  regarding  secondary  coolant  type,  flow  configuration  (in  tube  –  in  shell)  and  thermodynamic  parameters  (inlet  ‐  outlet  temperature,  pressure)  are  of  relevance in the optimization of the natural circulation cooled reactor. The effect  of partial flow blockages is important if the flow is obstructed and the cooling  capability is lost resulting in a temperature rise and possible coolant boiling as  well as cladding failure. Flow cavitation, which is caused by the reduced local  pressure below the saturation vapor pressure, can induce vibration and erosion.  Hydrodynamics  studies  of  flow  transitions  have  to  demonstrate  that  this  problem will not occur at any condition.  

Core Power Limits 

 

The  maximum  operating  power  level  of  the  ADSR  is  limited  by  technical  and  economical requirements. The intensity of the neutron source necessary to drive  the subcritical core depends on the spallation capacity to multiply the neutrons  and  the  degree  of  subcriticality.  The  neutron  multiplication  increases  with  the  increase  of  keff  and  also,  with  the  increase  of  the  proton  beam  energy,  because  the  number  of  spallation  neutrons  is  increased.  Yamamoto  and  Shiroya  (2003)  have studied the performance of the neutron multiplication of 3 different target  materials,  depleted  uranium  (DU),  lead  (Pb)  and  Tungsten  (W).  The  results  have  demonstrated  a  considerable  impact  on  the  neutron  yield.  DU  provides  the  higher  thermal  flux,  followed  by  an  slightly  higher  thermal  flux  from  Pb  over W, but, Pb has a smaller absortion cross section than W, giving it a greater  multiplication rate.  

 

(35)

 

core,  which  is  limited  by  the  vessel  size.  Besides,  there  are  other  types  of  technical limitations, which are intrinsic to all type of nuclear reactors such as  the  maximum  fuel  and  cladding  allowable  temperatures  to  withstand  thermal  stress  and  strain.  The  removal  of  decay  heat  is  another  important  factor  to  consider when limiting the maximum power for reactor operation. Decay heat  should  be  transferred  to  an  auxiliary  cooling  system  when  emergency  conditions occur and the heat exchanger is not available. Some designs propose  the  decay  heat  removal  by  RVACS  ‐  Reactor  Vessel  Auxiliary  Cooling  System  (Davis et al, 2002; Ansaldo, 2001). These operate transferring the heat from the  fuel pins to the coolant and then, to the reactor vessel wall, which is cooled by  natural convection of air. The radial power profile in the ADSR seems to have a  large impact on the power restrictions, due to a higher power density observed  around  the  central  region.  This  effect  is  increased  with  the  increased  of  subcriticality level (Rubbia et al., 1995).  

2.4  Mechanical Issues 

 

The  high  neutron  flux  and  the  high  temperature  conditions  place  severe  requirements on materials in the reactor core, particularly to the beam window  and  the  fuel  pin  cladding.  Both  provide  a  containment  barrier  to  radioactivity  release.  The  fuel  pins  especially  provide  the  basic  structural  integrity  for  the  fuel elements. The probability of pin failure depends on the internal fuel pin gas  pressure  and  the  service  conditions  during  lifetime.  The  cumulative  damage  evaluates  the  damage  fraction  during  the  steady  and  transient  conditions  for  creep and fatigue.  

 

The  number  of  cycles  to  fatigue  failure  depends  on  the  stress  level  and  temperature  history,  the  damage  effect  is  usually  measured  as  a  reduction  on  the  number  of  cycles.  Fatigue  considerations  for  other  structural  components  exposed  to  the  coolant  flow  are  also  important  in  the  safety  assessment.  The  flow distribution and mixing is important to reduce effects of thermal transients  to  structures.  The  material  strength  is  dependent  on  the  strain  rate  at  high  temperatures and if long time deformations persist, creep fluence occurs. Small  strains  with  large  hold  times  are  more  damaging  than  larger  strain  applied  during short periods (Sauzay et al., 2004).  

 

(36)

 

Buongiorno  (2001)  have  limited  the  maximum  vessel  height  to  19  meters  because  of  transportability  reasons,  considering  that  it  is  an  economical  advantage if the reactor vessel can be built in a factory and being transported to  the plant site. Davis et al., (2002) consider that a higher vessel could reduce the  cost adjustment over capital cost if there is an increase on electricity production.   Metal degradation due to liquid metal exposure is another important factor in  the  reduction  of  mechanical  properties  of  materials.  Aiello  et  al.,  (2004)  have  studied  the  effect  of  flowing  Pb‐Bi  alloy  on  cladding  steel  T91.  The  tensile  results shows a reduction of ductility and a fractured surface. Penetration of the  liquid  metal  may  be  one  of  the  reasons  for  the  reduction  of  mechanical  properties. In Russia, steel corrosion protection from Pb‐Bi flows has been done  mainly  by  maintaining  a  certain  concentration  of  oxygen  in  the  liquid  metal,  necessary to create a protective film of Fe3O4 on the steel surface (Ilincev, 2002).  The  irradiation  effects  are  interpreted  as  irradiation  hardening  at  lower  temperatures  and  recovery  at  higher  temperatures  (Uwaba  and  Ukai,  2004).  Irradiation hardening due to neutron displacement creates dislocations, which  considerably affect the metal strength. 

2.5  Design Preferences 

 

Any reactor has to achieve the best thermal performance keeping some design  parameters  below  certain  limits.  These  limits  have  been  gathered  throughout  fundamental  analysis  and  experience.  A  list  of  design  parameters  and  their  limiting values for the ADSR have been introduced in table 2.3. The subdivision  in groups relates the parameter to the physical system where it belongs. Due to  our  impossibility  to  perform  experimental  investigations  and  lack  of  design  experience  with  liquid  metal  technology,  we  have  appealed  to  the  literature  review, engineering sense and assumptions in order to draw some values.   

(37)

 

cladding, structures and fuel are 650 C, 450 C and the fuel melting temperature  respectively. Limiting temperatures based on accelerated corrosion effects have  been excluded since there was not literature available for this case. Finally, the  choice of a suitable subcriticality level is limited to 0.95 < keff < 0.98.  This range  considers  sufficient  safety  margins  to  prompt  critical  excursions  as  well  as  accelerator power availability. 

 

Table 2.3 Design limits for the ADSR 

Constraints  Design limits  Reference 

Structural  Creep strain   1% local  ASME 

    2% in the central line of the cross section   ASME 

    5% in the average cross section  ASME 

  Fatigue  σ < τyield ASME 

  Coolant velocity  < 1 ‐ 1.5 m/s corrosion ‐ erosion  Fomichenko 

    < 9 m/s cavitation and vibration  Tang 

Thermal‐  Cladding  Temperature limit normal operation < 650 C  Davis 

hydraulic  Fuel  Fuel temperature < melting temp.   Davis 

    overpower conditions 115%  Tang 

  Reactor   Vessel temp. steady < 450 C  MacDonald 

Neutronics  Kinetics  subcriticality level ‐ 0.95 < keff < 0.98  Rubbia  

  Reactivity coef.  Doppler coefficient < 0   

2.6  Safety Constraints 

 

(38)

 

to  its  boiling  temperature;  the  last  in  order  to  avoid  positive  reactivity  insertions.  Finally,  the  reactivity  is  required  to  be  always  negative  in  order  to  remain  subcritical,  any  positive  excursion  that  brings  the  reactor  critical  or  prompt critical is considered as a major loss of control and delivers high risk of  accidents. 

 

Table 2.4 Safety limits for the ADSR 

Constraints  Safety limits  Reference 

Structural   Creep strain   1% local  ASME 

    2% in the central line of the cross section   ASME 

    5% in the average cross section  ASME 

    Cumulative Damage < 1.0  ASME 

  Fatigue  σ < τyield ASME 

    Cumulative Damage < 1.0  ASME 

  Creep‐Fatigue  Cumulative Damage < D  ASME 

  coolant velocity  < 1 ‐ 1.5 m/s corrosion ‐ erosion  Fomichenko 

    < 9 m/s cavitation and vibration  Tang 

Thermal‐  Cladding  Temperature limit transients < 750 C  Davis 

Hydraulics    Temp. limit anticipated transient <788 C  Tang 

    Temp. limit unlikely events transient < 871 C  Tang 

  Fuel  Fuel temperature < melting temp.   Davis 

    overpower conditions 110%  Tang 

  Reactor   Vessel temp. transients < 750 C  MacDonald 

  Coolant  Coolant Temp. < Boiling temperature  MacDonald 

Neutronics  Kinetics  Reactivity < 0    

2.7  Safety Analysis 

 

(39)

 

consequence  of  a  failure  in  the  secondary  cooling  circuit  are  expected  events.  Emergency  events  are  unlikely  faults  requiring  the  shutdown  and  repair  activities, it may involved the reduction of lifetime of components, but, not the  break down of structures. In this class, the flow blockages or positive reactivity  insertions  could  be  fitted.  Faulted  events  are  major  incidents  of  very  low  probability but involving the risk of complete structural integrity loss, requiring  repair  activities  or  extensive  inspection.  They  are  large  reactivity  insertions  or  the unprotected transients where the control fails in shutting down the proton  beam. Analysis of these transients will be later conducted along chapters 4 and  5.  

 Table 2.5 Classification of scenarios for the safety analysis of the ADSR 

TYPE  Initiating event  Definition 

Probability  (event/year) 

Normal  Full power  Normal operation  1 

  Startup  Startup   

  Shutdown  Shutdown   

  Proton beam fluctuations  Beam interruptions  Several 

Upset  Decrease of heat removal from heat exchanger  partial LOHS  10‐2

  Secondary cooling system pump failure  LOHS      Loss of electrical power in secondary cooling   LOHS      Proton beam fluctuations  Beam interruptions      Loss of electrical power in accelerator building  Beam trip      Loss of electrical power in reactor building  LOHS      Partial loss of enhanced gas lift with beam   partial LOG      shutdown        Total loss of enhanced gas lift with beam   LOG      shutdown     

Emergency  Fuel assembly partial blockage  Partial Blockage  10‐2 ‐ 10‐4

  small pipe break in heat exchanger and steam   Positive reactivity   

  carry under     

  Small pin failure with gas release  Positive reactivity   

  Proton beam fluctuations  Beam interruptions   

Faulted  Large pipe break in heat exchanger  Positive reactivity  10‐4 x 10‐7

(40)

 

Maschek  et  al.,  (2003)  have  studied  ADSR  accident  scenarios  and  proposed  a  system  of  3  shutdown  levels,  which  follows  the  lines  of  defense  concept.  The  first shutdown level corresponds to the neutron source shutdown, which it will  rely  only  on  monitoring  and  detection  systems.  A  second  shutdown  level  requires  the  insertion  of  additional  absorber  rods.  This  shutdown  level  resembles  a  redundant  shutdown  system.  A  third  shutdown  level  relies  on  inherent and passive measures from the design like selecting the core geometry  with  favorable  reactivity  coefficients  and  assuring  reasonable  kinetic  parameters. The  kinetics characteristics  of  ADSR  presented  in section  2.2  have  demonstrated  that  it  is  necessary  to  manage  the  neutron  source  in  order  to  achieve  inherent  shutdown.  Ericksson  and  Cahalan  (2002)  have  studied  the  inherent  shutdown  based  only  on  reactivity  feedbacks  and  proved  that  it  is  unfruitful. They have determined that the fastest transients are the overpower  transients  caused  by  a  maximum  insertion  of  the  beam  power.  Transients  without beam shutdown have a severe impact on integrity and some shutdown  device is required, therefore, they have proposed some concepts to achieve the  passive ADSR shutdown. 

 

A safety strategy that relies on redundant shutdown systems is not sufficient to  assure  that  they  will  handle  all  possible  transient  scenarios.  Thus,  the  implementation  of  passive  safety  mechanisms  should  be  at  the  heart  of  an  integral  safety  strategy  for  the  ADSR.  The  development  of  a  reactor  safety  strategy for the ADSR is especially needed since it is a new innovative and not  well‐known combination of different technologies. 

2.8   Concluding Remarks 

 

(41)

we not  laugh?  If you  poison us, do we  not die?  and  if  you wrong us, shall we not revenge?”  The Merchant of Venice, W. Shakespeare, 1564‐1616                

3  Physical Modeling of the ADSR 

 

(42)

   

3.1  Introduction 

 

During  the  fission  process,  energy  is  deposited  in  the  fuel  as  heat.  The  heat  conducts through the fuel pin and is transferred to the coolant flowing outside  the fuel pin via convection. Figure 3.1 shows the fuel pin temperature gradient  as  function  of  the  pin  radius.  As  the  thermal  conductivity  is  different  for  the  different  materials  and  heat  is  only  generated  in  the  fuel,  the  temperature  profile changes from the fuel zone to the gap and cladding.   Cladding Coolant Fuel Gap Figure 3.1 Temperature profile as a function of the radius in a fuel pin  with an   internal  heat generation given from the nuclear fission process   

(43)

  Fuel pin Streaming peripheral tube Streaming centre tube Figure 3.2 Core top view with fuel assemblies distribution (at the left)   and fuel assembly design (at the right)    

The  fuel  pins  are  surrounded  by  the  coolant,  which  flows  in  a  closed  circuit  inside the reactor pool. The heat released from the fuel pins in the core heats up  the liquid metal, the fluid density decreases and the fluid moves upward. The  total  buoyancy  force  is  given  by  density  differences  between  the  riser  and  the  downcomer.  Figure  3.3  shows  a  scheme  of  the  reactor  pool.  It  displays  the  different  regions  like  core,  heat  exchanger,  riser  and  downcomer.  It  also  includes the power cycle and the gas lift pump system. The gas injected inside  the  riser,  is  meant  to  decrease  the  fluid  density  and  produce  additional  buoyancy.  The  heat  exchanger  removes  the  heat  from  the  reactor  pool  and  releases its energy into a conventional power cycle. 

  

(44)

      Compressor Heat exchanger Riser Turbine Storage tank Condenser Core Downcomer Pump Figure 3.3 Reactor pool with power cycle and coolant flow   scheme including the gas lift pump system   

The  thermalhydraulics  model  describes  the  coolant  flow  in  different  regions  like  the  core,  riser,  heat  exchangers  and  downcomer.  Its  mathematical  formulation  is  based  on  the  momentum  and  energy  conservation  laws  for  a  closed loop. The model considers the momentum source provided by buoyancy  forces  from  thermal  gradients  and  two‐phase  flow  when  gas  is  injected  in  the  riser.  The  thermalhydraulics  model  contains  three  submodels:  the  heat  exchanger, the core and the riser model. It solves the coolant temperature and  mass flow rate in the reactor pool given the heat transferred from the fuel pins  to  the  coolant  and  heat  removed  by  the  heat  exchanger.  The  set  up  of  these  models is explained graphically in figure 3.4. 

FUEL PIN MODEL THERMALHYDRAULIC MODEL

Fuel NEUTRON KINETICS

(45)

 

3.2  Neutronic Model 

Introduction 

 

The computation of neutron kinetics is usually obtained by solving the neutron  transport  equation.  The  direct  solution  of  the  spatial,  energy,  time  dependent  equation  can  be  achieved  with  advanced  numerical  schemes  that  provide  sufficient accuracy although the computational work is “expensive”. A simpler  solution is usually obtained with the exact point kinetics approximation which  writes  the  solution  as  a  product  of  a  spatial  function  and  a  time  dependent  function. The solution method calculates the spatial shape less frequently than  the time dynamic response (Ott and Neuhold, 1985).  

 

An  alternative  solution  proposed  by  Rineiski  and  Maschek  (2005)  for  the  subcritical  reactor  keeps  a  single  time‐independent  weighting  function,  but  employs  a  variable  flux  shape.    The  model  offers  a  table  of  power  shapes  computed  in  the  keff  mode  for  the  initial  conditions  and  several  shapes  computed at different reactivity levels. This approach, can improve significantly  the  speed  of  the  calculations,  although  perfect  agreement  with  exact  point  kinetics is never achieved. 

 

The  derivation  of  a  simpler  point  kinetics  model  assumes  that  the  flux  shape  never  changes  in  time.  Many  safety  codes  apply  this  simpler  and  faster  point  kinetics  model  for  studying  transients  of  critical  reactors.  The  computation  of  parameters  such  as  reactivity  and  reactivity  coefficients  are  integrals  over  the  space  and  can  be  determined  a  priori.  Eriksson  et  al.,  (2005)  have  investigated  the ability of simple point kinetics to predict the transient behavior of an ADSR.  Numerical  experiments  were  carried  out  to  compare  the  precision  of  point  kinetics  against  the  full  solution  of  space‐time  dependent  kinetics.  The  results  suggested  that  point  kinetics  is  capable  of  accurate  solutions  for  transients  involving  external  source  perturbations  with  small  flux  deformations,  because  of  the  uniformity  of  the  reactivity  feedbacks.  When  the  transient  involves  localized perturbations, the results indicates better precision if keff is lower (more  subcritical). This behavior is due to the lower sensitivity to the feedback effects  and the major role played by the source on the power output. 

 

Cytaty

Powiązane dokumenty

Table 1. The character table of the Vierergruppe is given on the left. The X and ц indices give an alternative way of labelling the symmetry classes. For a given angular momentum I

W pierwszej kolejności zapytano, czy pracownicy firm zewnętrznych mają (ewentualnie jaki) wpływ na normy pracy stosowane w systemie wynagradzania pracowników spółki

Well designed urban elements help create the unique character and atmosphere of manmade public spaces, constituting a kind of complement to their decor.. Modern material and

Tym samym Dziennik moskiewski znakomitego uczonego, znawcy Rosji Aleksandra III, auto­ ra jedynej polskiej monografii Mikołaja II - Profesora Jana Sobczaka, należy

Z dalszej części listu dowiadujemy się, że Wekcjusz jest wdowcem, ma córkę, którą troskliwie wychowuje, że zgodnie z obycza- jami swej sfery wyjeżdża na polowania, zajmuje

Topór prosi biskupa krakowskiego Jana Lutka z Brzezia o przekształ- cenie kościoła parafi alnego w Kraśniku w kościół klasztorny Kanoników Regularnych Laterańskich,

Precyzyjne zdefiniowanie tego po­ jęcia jest być może nie tak istotne jak kwestia różnic w nim występujących, głównie pomiędzy regionalizmem jako społeczną integracją i

Перспективу дослідження вбачаємо в необхідності аналізу методів та під- ходів до навчання другої іноземної мови в старшій школі в Чеській